超高温水煤气变换反应(UT-WGS)的理性设计与实践探索：短流程合成气升级的革新路径

为解决传统水煤气变换(WGS)反应流程长、能耗高、铬催化剂毒性大等问题，研究人员开发了基于无铬杂化催化剂的超高温水煤气变换(UT-WGS)新策略。通过耦合催化与吸附位点，在600°C和H2O/CO=2条件下实现67.73%的CO转化率和75.42%的H2含量，为生物质气化合成气直接升级提供了高效低碳解决方案。

　　

在全球能源需求激增和温室气体减排的双重压力下，氢能经济被视为实现碳中和的关键路径。然而，作为氢能产业链核心环节的水煤气变换(WGS)反应，却面临着"高温受限于热力学，低温受制于动力学"的经典困境。传统工艺需要多级反应、复杂预处理和有毒铬催化剂，不仅能耗高，还产生环境风险。更棘手的是，生物质气化产生的合成气具有高温特性，传统工艺需要先冷却再加热，造成巨大能量浪费。这些矛盾严重制约着绿色氢能的大规模应用。

清华大学和润清团队基于其开发的低焦油加压生物质气化技术，创新性地提出了超高温水煤气变换(UT-WGS)概念。研究人员设计了一种含催化-吸附双功能位点的无铬杂化催化剂，通过原位CO₂捕获打破热力学平衡限制，在《Carbon Capture Science & Technology》发表了这项开创性研究。

研究采用共沉淀法合成Fe₃O₄/CeO₂/Al₂O₃催化剂和CaO/Al₂O₃吸附剂，通过XRD、XPS、BET、SEM-EDS等技术表征材料特性。在固定床反应器中测试UT-WGS性能，利用微型气相色谱在线分析产物组成。通过热重-质谱联用(TG-MS)研究反应机理，结合HSC Chemistry软件进行热力学计算。

3.1 催化行为与性能
热力学计算证实UT-WGS在850°C以下均可行。Fe-15Ce-Al催化剂在600°C展现最佳活性，钙基吸附剂90Ca10Al具有最高CO₂捕获容量(0.55 g/g)。杂化催化剂20Cat80Abt在600°C和H₂O/CO=2条件下，CO转化率达65.74%，H₂含量提升至75.42%，显著优于传统催化剂系统。

3.2 催化剂活性相演变
XPS分析显示反应后Fe₂O₃转化为活性Fe₃O₄相，Ce³⁺/Ce⁴⁺氧化还原循环增强氧空位浓度。SEM观察到CaCO₃在吸附剂表面均匀沉积，EDS证实元素分布均匀。这种结构使碳沉积减少50%以上。

3.3 反应机理与协同效应
TG-MS揭示反应分四个阶段：表面OH基团活化(50-360°C)、CO氧化与CO₂捕获(360-680°C)、碳沉积与CaCO₃分解(680-810°C)、深度还原(810-1000°C)。协同效应分析表明，20-40%催化剂比例时协同效果最强，H₂产率提升幅度达16.27%。

3.4 UT-WGS工艺的合理性与实用性
与传统HT-LT WGS工艺相比，UT-WGS省去冷却-加压-再加热步骤，设备投资降低40%，能耗减少35%。润清气化炉产生的30kg蒸汽可直接利用，实现热-蒸汽双重平衡。该工艺特别适合生产SAF所需的H₂/CO调变，满足RefuelEU政策70%掺混要求。

这项研究通过"催化-吸附"双功能设计，成功突破WGS反应高温热力学限制。Fe-Ce-Al催化剂与CaO/Al₂O₃吸附剂的协同作用，实现了67.73%的CO转化率和75.42%的H₂含量，为生物质合成气直接升级提供了"超短流程"解决方案。特别值得注意的是，该方法利用气化过程余热和自带蒸汽，使整体能效提升28%，碳足迹降低45%。该技术已具备工业化应用条件，将为氢基燃料(氨/甲醇/SAF)的低成本生产提供关键技术支撑，对实现航运航空2050碳中和目标具有重要战略意义。未来研究可进一步优化催化剂抗中毒性能，探索与不同气化工艺的适配性，推动该技术向更大规模发展。